台达UPS在地铁弱电系统中的应用方案

作者：中达电通股份有限公司/张彦和

一、              地铁弱电系统的电源需求

     地铁弱电系统应用在地铁的车站、车辆段、停车场、控制中心等场所，包括通信、信号、综合监控（电力监控PSCADA、环境与设备监控BAS、火灾自动报警FAS、门禁ACS）、自动售检票系统AFC、乘客信息系统PIS、屏蔽门、变电所直流操作、应急照明等部分，系统一般由计算机、网络设备及自动化控制设备组成，用电为一级负荷，因此需要高可靠性的后备电源进行不间断供电，以保证供电质量和供电连续性。

     屏蔽门驱动电机、变电所直流操作以及部分通信设备分别用到DC110V、DC220V和DC-48V电源，一般由专门的直流电源独立供电。应急照明一般为交流感应式的负载，分布在整个车站范围内，点多面广，多采用EPS供电。剩余的通信、信号、电力监控、环境与设备监控、门禁、火灾报警、自动售检票、乘客信息、屏蔽门网络控制等系统均为计算机和网络设备等容性负载，需要AC380/220V电源，最适合采用UPS系统进行供电。

由于地铁运营环境及其设备的特殊性，一般要求提供电源的UPS系统满足下列要求：

1．可靠性强，能适应地下运行环境，以确保车站各弱电系统设备全天候、稳定、可靠地运行；
2.绿色环保，避免污染电力环境及自然环境；
3．安全性高，保护全面，不易造成人为设备故障，不会威胁人身安全；
4．便于近、远端管理，有标准的通讯接口及开放的通讯协议；
5．尽量采用集中式供电，综合利用各种资源。目前，轨道交通UPS电源整合是一个发展趋势，全国各地地铁新建线路都在进行UPS整合工作，因为这样更有利于资源的综合利用，更有利于设备的专业化维护与管理，同时也有利于节省机房使用面积。

     下表是某地铁线路弱电系统中适合UPS集中供电的负载情况，它在地铁行业中具有一定的代表性：

二、系统方案选择

根据地铁应用环境对UPS系统的具体要求，我们选用由台达NT系列UPS(12P)、中达电通DCF126系列蓄电池和中达电通智能配电柜组成的双电源输入、双母线架构、共享电池组、负载分时供电的集中供电组合方案。

该方案的系统示意图如下：

系统中的两台UPS容量相等，互为备份，彼此通过两根相互冗余的通讯线相连，使它们的相位始终同步，确保后面的STS切换顺畅。

该系统有下列特性符合地铁应用环境的需求:

1．可靠性强，适应地下运行环境。如:UPS耐温、湿度范围宽,抗外界干扰能力强,输入电源的电压和频率范围宽,输出电力品质高,全桥逆变加隔离变压器对负载适应性强,内部重要线路冗余备份，容错能力强,单机MTBF高达30万小时等。而双母线架构对负载又有了双重保障。

2．UPS低谐波，高效率，低辐射，低噪音等特性体现了绿色环保、对电力环境及自然环境污染少的特性。

3．UPS符合CE、TUV、IEC等安全标准，具有过温、过载、短路、误操作、电池漏夜等保护功能，并且有近、远端的紧急关机功能，安全可靠，不易造成人为设备故障和人身安全威胁。

4．UPS配备大型中/英文图形化LCD显示，以及RS232、RS485、20选6的智能干接点以及供选购的SNMP、MODBUS卡等，并有开放的通讯协议提供，便于近、远端监控管理。对于本方案可将UPS监控纳入综合监控系统（ISCS），与综合监控系统FEP接口，实现对电源的统一监控管理。

5．本方案在每个站点配置一台大功率的UPS集中供电，可使负载综合利用电力资源。同时，共享电池组和分时供电的方式也是综合利用资源的一个具体体现。

三、UPS容量选择

由UPS集中供电的负载情况表可知，车站、车辆段、停车场和控制中心的负载量依次为：126KVA、103KVA、74KVA和126KVA。这些负载都是电脑性的，输入功率因数一般为0.7,小于UPS的输出功率因数0.8，选择UPS容量时应当按VA值来计算。为了确保UPS长期安全可靠地运行，负载量一般设定在UPS额定容量的60％～80％。所以车站、车辆段、停车场和控制中心应分别配置160KVA、160KVA、100KVA和160KVA的UPS，它们的负载量最大能达到单台UPS的78%、64%、74%和78%，符合系统可靠性的要求。

四、电池配置计算

本方案采用UPS共享电池组方案，并且市电停掉后要分时供电给负载。以车站为例：有40KVA的负载后备2小时, 46KVA的负载后备1小时, 40KVA的负载后备0.5小时。其负载-时间坐标图如下：

基于电池的放电特性，若采用分时间段（竖直分）计算法，结果会比实际的配置偏大；若采用分功率段（水平分）计算法，结果会比实际的配置偏小。这里采用分功率段（水平分）计算法计算，然后再将结果进行修正。计算过程如下：

P（W）  电池提供总功率          P（VA）  负载标称容量（VA）
 Pf    负载输入功率因数         η        UPS逆变转换效率
 Pnc   每只电池需要提供的功率    n        UPS配置的电池数量
 N     单颗电池的cell数
 P（W）={P（VA）×Pf}/η
 Pnc=P（W）/(n×N)

1．40KVA 2小时：
P（VA）=40KVA             负载输入功率因数Pf ≈0.7
逆变器效率η=0.95          n = 29
N = 6
P（W）={P（VA）×Pf}/η= {40000×0.7}/0.95=29473.68(W)

Pnc=P（W）/(n×N)=29473.68 /（29×6）= 169.39(W)

    根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出2小时放电时间,1.75V截止电压下, DCF126-12/100型号的电池能提供68.4W的功率, 169.39/68.4=2.48组.

2．46KVA 1小时：

P（VA）=46KVA             负载输入功率因数Pf ≈0.7
逆变器效率η=0.95          n = 29
N = 6
P（W）={P（VA）×Pf}/η= {46000×0.7}/0.95=33894.74(W)

Pnc=P（W）/(n×N)=33894.74 /（29×6）= 194.80(W)

    根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出1小时放电时间,1.75V截止电压下, DCF126-12/100型号的电池能提供112.2W的功率,194.80/112.2=1.74组.

3．40KVA 0.5小时：

P（VA）=40KVA             负载输入功率因数Pf ≈0.7
逆变器效率η=0.95          n = 29
N = 6
P（W）={P（VA）×Pf}/η= {40000×0.7}/0.95=29473.68(W)

Pnc=P（W）/(n×N)=29473.68 /（29×6）= 169.39(W)

    根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出0.5小时放电时间,1.75V截止电压下, DCF126-12/100型号的电池能提供181.3W的功率, 169.39/181.3=0.93组. 2.48+1.74+0.93=5.15(组)

   由于这种计算方法得出的结果会比实际的配置略有偏小，所以取6组应当足以满足负载的后备时间需求。

    同样可以计算出车辆段UPS系统需配置中达电通DCF126 12/100型号的电池4组；停车场UPS系统需配置中达电通DCF126 12/100型号的电池3组；控制中心UPS系统需配置中达电通DCF126 12/100型号的电池6组；

五、供电运行方式与逻辑关系

    结合方案的系统示意图可以了解系统的供电运行方式与逻辑关系。

1． 正常供电运行方式

两路主电源为两台UPS供电，主电源1接UPS1的主输入，主电源2接UPS2的主输入，两台UPS的旁路同时接到主电源1或者主电源2上（不同的站点可以不同）。 两台UPS同时输出到各个负荷侧的STS开关，通过设置STS开关状态，实现大约各带一半负载。这样能确保两路电源上的负载量基本均分，当两台UPS都运行于旁路状态时，相位仍然同步，STS转换不受影响。

UPS1和UPS2同时为电池组充电，充电电流各占50%。为了日后维修和保养方便，每台UPS和每组电池都装有自己的连接开关。

2． UPS故障运行方式

a. UPS2故障，则通过STS将所有的负载切换到UPS1，然后维修UPS2，修复后再恢复原带载运行方式；
b. UPS1故障，则通过STS将所有的负载切换到UPS2，然后维修UPS1，修复后再恢复原带载运行方式；
c. 两台UPS都故障，则通过两台UPS的静态旁路供电给负载。此时，可以将两台UPS打到维修旁路或者轮流关闭进行维修，修复后再转为原带载运行方式。

3． 电池组故障运行方式

电池组分为3—6组并联，若发现电池故障或者报警，维修人员切除故障的电池分组，进行维修维护工作，修复后再将电池分组重新投入运行。

4． 失去1路主电源运行方式

a. UPS2主电源失电，则UPS2停止输出，通过STS将所有负载切到UPS1；
b. UPS1主电源失电，则UPS2停止输出，通过STS将所有负载切到UPS2。

5． 失去2路主电源运行方式

此时两台UPS同时转到电池组放电状态，通过STS后共同分担后面的负载。若此时任何1台UPS故障，其后面的负载都会通过STS转移到另外一台UPS上去，电池组也会全部转给正常的UPS使用，后备时间不受影响。

智能配电柜会结合各负荷的后备时间要求，按时切除相应的负载。

6． 检修运行方式

a.     检修单台UPS时，断开一台进行检修，另一台正常运行；
b.    检修单组蓄电池时，断开一组进行检修，其它电池组正常运行；
c.       当两台UPS同时检修时，可将两台UPS打到维修旁路或者轮流关闭进行检修。

六、方案特点分析

概括起来，该方案具有以下几个特点:

1. UPS电源采用集中式配置，跟分散式配置相比，该方案更能综合利用UPS和蓄电池资源，具有设备可靠性高、节省安装空间、维修和管理方便等优点，符合地铁行业的的发展趋势。
2. 输入电源采用双路同时分别供电，跟前端采用ATS切换装置相比，该方案更节省投资，使双路电源负载均分，并且避免了ATS的单点故障。
3．系统采用两台UPS双母线架构，跟单机和双机并联架构相比，减少了单故障点，增强了可靠度。
4．采用双机共享电池组方式，确保任何一台UPS故障时，系统总的后备时间不受影响，并且同时具备了以下优点：

a．节省购买电池的资金投资，相应的搬运、安装等投资也跟着减少。
b. 节省安装空间投资,相应的装修费、空调配置等投资也跟着减少。
c. 节省承重方面的投资。
d. 节省电耗、维护保养等运营成本方面的投资，更加环保。
e. 系统扩容比较方便,主机和电池组的扩容可以分别进行，非常安全、方便，可以灵活利用资金。
f. 发挥电池的最大效能，提高电池利用率。对于传统的电池配置方案，由于电池数量较多，停电后电池会小电流放电，电池容量可能还没有放掉多少，市电就已经恢复。这种小电流的浅度放电对电池是没有好处的，久而久之电池性能就会下降，一旦某台UPS坏掉，其它UPS电池的后备时间就会达不到要求。而对于共享电池组方案，由于电池数量相对较少，停电后电池的放电电流就会比较大，电池容量也可以放的比较多，这样有利于提高电池的活性，延长电池寿命。一旦某台UPS坏掉，系统的后备时间也不会受到影响，因为电池不会跟着UPS失效而失效。

5．根据负载重要程度，采用分时供电方式，合理分配资源，实现效益最大化。

6．采用台达NT系列UPS，该产品更能符合轨道交通方案需求，产品品质优异、厂家服务周到。同时采用冗余的通讯线代替LBS,节省了投资，提高了效率，增加了系统可靠度。

七、公司、产品及服务介绍

    台达电子工业股份有限公司(DELTA ELECTRONICS. INC) 在电力电子工业领域排名世界第一，每月生产超过一百万台转换电源供应器，为全球最大的制造商。台达电子在品质管制、可靠度的控制及维修服务方面的杰出表现，已被广泛的认可。每年均收到如 HP、IBM、 NEC、GE…等主要客户的奖赏。同时，设于世界各地的工厂均通过ISO-9000 认证。其研发和生产的UPS电源销往世界各地。

中达电通股份有限公司是台达集团在中国大陆地区的控股子公司，成立于 1992 年，总部设在上海浦东。主要为中国最具成长潜力的通信、交通、金融、工厂及其它自动化市场提供安全可靠、方便周到的一站式服务。其主要产品和服务包括动力系统、宽带数据、机电自动化、视讯设备四个方面。本方案所涉及的UPS、蓄电池和配电柜是动力系统中的产品。

台达NT系列UPS采用先进的IGBT高频切换正弦脉宽调变技术设计，使UPS供电质量好、效率高、热损耗小、噪音低、体积小及寿命长；同时采用模组化设计可降低平均修护时间(MTTR)，使维护工作更简便；藉由微处理器的数字化设计，简化复杂的模拟线路及大量减少零件数目，使系统更为安全可靠。该产品还具有一些其它品牌所难以比拟的优异特色，如：8台并机无须并机卡、共享电池组、电池漏夜保护、内存500笔信息数据、智能监控，可规划干接点等等。

    本方案所选用的中达电通蓄电池具有失水少、自放电小、密封安全、使用寿命长等优点，是一款性价比很高的产品。

    中达电通智能配电柜是中达电通跟斯米克机电公司合作生产的，内部组件采用施耐德或者ABB的高性能产品，整柜外形美观，性能安全可靠。

    中达电通的分支机构和服务网点多达一百多个，遍及全国各地，可为用户提供方便快捷的售前、售中、售后服务。对国内的用户郑重承诺：报修立刻响应, 30分钟内提供问题有效解决方案, 2～24小时赶赴现场(紧急情况下就近最快的交通工具抵达现场),故障现场4小时内处理完毕。

八、总结

    台达NT系列UPS在工厂、医疗、交通、通信、证券、金融等行业都有广泛应用。在轨道交通方面已安全运行于北京地铁，上海地铁9#线、6#线、8#线等，目前又已中标沈阳地铁、南京地铁等项目。此外在青藏线、京沪线等铁路交通干线上也都有台达NT系列UPS在正常运行，目前该UPS又已中标合宁线、京津线等铁路项目。

    台达NT系列UPS可以组成十多种安装方案，其中多机共享电池组方案,在并联、双母线架构下都可以采用。目前，在上海铁路局调度控制中心有两台30KVA的UPS共享电池组在正常运行；在九江电信有两台320KVA的UPS共享电池组在正常运行；在山东省委机要局有两台40KVA的UPS共享电池组在正常运行；在山东电视台有两台30KVA的UPS共享电池组在正常运行；在鹰潭电信有三台40KVA的UPS共享电池组在正常运行等等，这些案例从来没有因为共享电池组而发生过故障。在台达的UPS生产线上也都是采用共享电池组方式测试并联机器的。所以说台达UPS在共享电池组方面的技术是相当可靠的，经验非常丰富。

    选择了台达，就选择了放心！台达以雄厚的实力、优质的产品、可靠的方案、全面快捷的服务令各行业的用户高枕无忧！